Warum haben einige meiner IE-Wandlerschaltungen eine große Offset-Spannung?

Die folgende Schaltung ist ein aktiver Strom-Spannungs-Wandler mit schaltbarer Verstärkung.

Schema

Operationsverstärker-Strom-Spannungs-Wandler mit Verstärkungsschalter

Nicht gezeigt: Der invertierende Eingang wird durch einen 10K-Widerstand niedrig gehalten, wenn die Schaltung eingeschaltet ist, aber nicht verwendet wird. Immer wenn eine Messung durchgeführt wird (einschließlich Kalibrierungsmessungen, bei denen IN schwebend ist), wird dieser Widerstand getrennt.

Die Versorgung der analogen Schalter und des Operationsverstärkers beträgt +/- 11,5 V. Der typische VOUT-Bereich liegt zwischen -10 V und +10 V.

Zweck

Die Schaltung dient zur Messung von Strömen im Nanoampere-Bereich. Ein paar mV am Ausgang sind signifikant. Konstante Offsets sind kein wirkliches Problem, da sie leicht herauskalibriert werden können, indem der Ausgang mit einem offenen Eingang gemessen und von nachfolgenden Messungen subtrahiert wird.

Jede Platine hat 6 oder mehr dieser Schaltungen.

Komponenten

Der ausgewählte Operationsverstärker hat sehr kleine (< 10 pA) Offset- und Bias-Eingangsströme und eine sehr kleine Offset-Spannung (< 1 mV). Es ist ein AD8625AR .

SW1A und SW1B sind unterschiedliche Pole desselben CMOS-Schalters (ADG1236). Sie werden zusammengeschaltet, um den Rückkopplungswiderstand auszuwählen, der die Verstärkung des Wandlers bestimmt. Der maximale Leckstrom beträgt 1 nA an Source- und Drain-Pins, ein- oder ausgeschaltet. Der nicht gezeigte Schalter (um den invertierenden Eingang durch einen 10K-Widerstand niedrig zu halten) hat eine ähnliche Leistung. Typische Leckströme sind sehr klein (< 0,1 nA).

Problem

Das Problem, das ich habe, ist, dass bei einigen Chargen von Platinen einige (oder alle) dieser Schaltungen große Offsets haben, die beim Einschalten langsam abklingen. Die meisten Boards sind jedoch jederzeit perfekt stabil, mit kleinen Offsets.

Ein typischer Offset auf VOUT mit schwebendem IN ist < 1 mV. Auf betroffenen Platinen kann der Offset bis zu 120 mV betragen.

Wenn die betroffenen Platinen eingeschaltet werden, stabilisiert sich der Offset langsam (nach Stunden oder Tagen) auf ~5 mV. Nachdem die Stromversorgung unterbrochen wurde, summiert sich der Offset erneut, sodass er beim Einschalten nach ein paar Tagen ohne Unterbrechung wieder hoch ist.

Jedes Board hat eine Reihe dieser Schaltkreise. In der ersten Charge von 5 Boards waren alle betroffen. In der nächsten Charge waren keine betroffen. In der neuesten Charge hat jede Platine einen betroffenen Schaltkreis, und es ist nicht immer derselbe.

Im schlimmsten Fall würden die maximalen Leckströme aller Analogschalter 1,2 nA betragen, was zu einem Offset von 12 mV bei der höchsten Verstärkungseinstellung führt. Ich glaube also nicht, dass dies den gesamten Offset erklären kann, den ich sehe.

Woher könnte die Offset-Spannung sonst kommen? Gibt es einen allgemeinen Platinenfehler, der zu diesem Verhalten führen würde?

welchen opamp verwendest du?
Es ist ein AD8625AR . Die anderen Kanäle werden für andere Zwecke verwendet (Ausgangspuffer für diese Schaltung und einige andere Dinge)
Welche Art von Kondensatoren verwendest du? Mein sofortiger Gedanke war "seltsamer Kondensatoreffekt" ... Die Antwort von Rocket Surgeon gibt eine Möglichkeit, wenn Sie Kunststofffolienkondensatoren verwenden. Wenn Sie Keramik verwenden, ist ein weiterer Effekt die Piezoelektrizität aufgrund der Restspannung des Kondensators durch den Lötprozess. Aber ich bin kein Experte auf diesem Gebiet und ich weiß nicht, ob 100 mV von diesem Effekt angemessen sind oder nicht.
Ist Ihre Leiterplatte frei von Flussmittelrückständen? Welche Konstruktion haben C1 und C2? Ein Foto des relevanten Teils der Platine könnte Hinweise geben.
@markrages, C1 und C2 sind Keramikkappen. Wir hatten Probleme mit Leiterplatten mit Flussmittelrückständen in unserer ersten Charge von Prototypen. Dies führte zu einem messbaren Leckstrom, der sich beim Durchlaufen einer kontrollierten Spannung änderte. Der Anbieter hat das Problem erkannt und behoben. Ich habe diese Platinen mit natürlichem Licht sowie 365 nm UV in einem halbdunklen Raum untersucht, und es gibt keine sichtbaren Flussmittelrückstände.

Antworten (2)

Paar Theorien hier:

  • Wie sicher ist, dass Ihre Netzteile symmetrisch hochgefahren werden?
    Wenn eine Schiene vor der anderen auftaucht, haben Sie möglicherweise für einen sehr kurzen Zeitraum Ausgangsspannungen ungleich Null vom Operationsverstärker.
  • Haben Sie alle PCB-Layout-Praktiken implementiert, die für solch hohe Impedanzen erforderlich sind? Zumindest benötigen Sie Schutzringe an allen Knoten mit ultrahoher Impedanz. Das LMC6082-
    Datenblatt von National (jetzt TI) enthält eine gute Diskussion darüber, was erforderlich ist, um die Leckströme auf der Platine so niedrig zu halten, dass sie kein Problem darstellen.

Dies wird wahrscheinlich nicht die Möglichkeit ansprechen, dass Sie Probleme mit der dielektrischen Durchdringung haben, wie in der Antwort von @ RocketSurgeon besprochen.
Eine gute und einfache Möglichkeit, seine Antwort zu testen, wäre, eine der Kappen auf einer schlechten Platine zu entlöten und sie umzukehren. Wenn der Offset in die andere Richtung gedreht wird, handelt es sich um ein dielektrisches Durchdringungsproblem (da die dauerhafte Ladung in der Kappe eine einzelne Polarität hat). Wenn sich die Offset-Spannung nicht ändert, liegt das Problem nicht am Kondensator.

Eine Sache, die das Problem der dielektrischen Durchnässung meines Erachtens nicht erklärt, ist, warum die Ladung zurückzukommen scheint, wenn der Stromkreis nicht mit Strom versorgt wird, und verschwindet, wenn er mit Strom versorgt wird. Da das Element, das den Kondensator entlädt, kontinuierlich über die Kappe geschaltet ist (z. B. C1||R2, C2||R1), sollte der Beitrag eines aus der Kappe austretenden Stroms konstant sein und nicht von der Versorgungsspannung beeinflusst werden.

Das einzige, was mir einfällt, wäre, dass irgendwo etwas Hygroskopisches ist und es einen Offset-Strom injiziert. Wenn Sie das Board mit Strom versorgen, wärmt es sich auf und vertreibt die Feuchtigkeit mit der Zeit. Schalten Sie das Board aus und es beginnt Feuchtigkeit zu absorbieren.


Ein Kommentar, den ich habe, ist, dass ich nicht verstehe, warum Sie sowohl SW1A als auch SW1B haben. Sie können SW1B vollständig entsorgen. Verbinden Sie einfach beide R / C-Paare miteinander und mit dem Ausgang des Operationsverstärkers. Wenn einer der Kappen-/Widerstandssätze ausgewählt wird, entlädt sich der andere nur langsam. Solange ein Ende schwebend ist (was durch SW1A erreicht wird), ist die Spannung am anderen Ende irrelevant.

RE: Die Netzteile, ich bin mir nicht sicher, ob sie es sind. Wäre die Überwachung der Schienenspannungen am Operationsverstärker mit einem Oszilloskop während des Einschaltens der beste Weg, dies zu messen?
RE: Layout; es gibt große Freiräume (1mm) für die hochohmigen Netze, aber keine Schutzringe. Im schlimmsten Fall würde ein Leck von der 12-V-Schiene in diesen Stromkreis gelangen und erfordert einen 10^9-Ohm-Widerstand, um 1 nA zu überschreiten. Die einzige variable Spannung in der Nähe der Schaltung ist der Eingang zum Steuerabschnitt einer verwandten Schaltung. Ich teste die Ableitung davon, indem ich einen Spannungsdurchlauf über den gesamten Bereich durchführe, während ich den Ausgang dieses IE-Wandlers überwache. Wir haben zuvor Lecks gemessen, wo Flussmittel auf der Platine verblieben ist, und der Test hat es erfasst. Hier ändert sich der Offset nicht während des Steuerspannungsdurchlaufs, sondern nur über die Zeit.
RE: Feuchtigkeit; Gute Idee! Ich werde ein Brett für ein oder zwei Tage in einen unserer Exsikkatoren legen und sehen, ob sich etwas ändert.
@Series8217 - Flussmittel ist hygroskopisch! Das kann die mögliche feuchtigkeitsempfindliche Komponente sein.

Theorie 1. Einweichen. Dies ist der dielektrische Absorptionseffekt. AKA Einweichen . Die Energiequelle ist eine Kondensatorladung, die vom Testaufbau des Kondensatorherstellers getragen wird. Die Folienkondensatoren wurden im Werk einige Minuten lang mit Hochspannung getestet, dann entladen und mit offenen Leitungen gelagert.

Über einige Monate driftet die absorbierte Restenergie (nicht unbedingt die Ladung, kann aber auch durch mechanisches Altern/Trocknen/Setzen verursacht werden) von der Innenseite der dielektrischen Schichten zu den Platten. Die Geschwindigkeit kann sehr langsam sein, sagen wir, die Zeitkonstante von Polypropylen multipliziert mit tausend (wenige Jahre für eine vollständige Entladung).

Dieser Effekt ist kaum untersucht. Es betrifft nur extreme Schaltungen wie Ihre mit Plastikkappen und TeraOhm-Operationsverstärkern. Der beste Wirkungsbericht stammt von Bob Pease von Nat Semi , als er mit Teflon- und pA-Strömen arbeitete.

Die Heilung dafür kann darin bestehen, dass der stromlose Stromkreis einige Stunden lang einer Gammastrahlungsquelle mittlerer Intensität ausgesetzt wird, um alle absorbierten Ladungen ohne physischen Kontakt mit den Teilen abzuleiten.

Eine andere Methode ist der Kauf von "älteren" Kondensatoren, die einige Monate länger gelagert wurden. Vergleichen Sie die Daten der Verschlüsse aus guter und schlechter Charge. Ich wette, die ältere Kondensatorcharge ist besser.

Oder fragen Sie bei der Bestellung von Kappen nach solchen, die über den Sommer näher am offenen Fenster gelagert wurden. Oder legen Sie zusammengebaute unbestromte Platinen auf eine trockene leitfähige Antistatikmatte und erhitzen Sie sie eine Stunde lang auf 150 °C (es sei denn, die Sauberkeit des pA-Schaltkreises verbietet solche Manipulationen).

Theorie 2. Induktionsstrom durch Thermokopplung. Der Thermokopplungsstrom kann durch Temperaturunterschiede zwischen zwei verschiedenen Metallen verursacht werden. Um herauszufinden, ob es das ist, tauchen Sie die Platine in ein gerührtes Ölbad und vergleichen Sie die Leistung mit einer in freier Luft.

Das Entladeelement in dieser Schaltung ist permanent parallel zu den Kondensatoren verdrahtet. Daher sehe ich nicht, wie das Einschalten des Stromkreises dazu führen würde, dass der Offset allmählich verschwindet und das Ausschalten dazu führen würde, dass er allmählich zurückkehrt. Wenn aus dem Kappendielektrikum etwas austritt, würde ich erwarten, dass es einen konstanten (zugegebenermaßen langsam abklingenden) Offset erzeugt.
Leider habe ich keinen Zugriff auf ein gerührtes Ölbad, das groß genug für das Board ist. Es ist 200 mm x 280 mm groß. Irgendwelche Empfehlungen zu einer alternativen Methode zum Testen auf solche thermischen Effekte?
Bob Pease beschrieb einmal den Aufbau einer Wärmekammer mit Karton und Luftgebläse. Es kann so gut wie ein Ölbad sein, wenn die Lufttemperatur über lange Zeit stabil ist und der Ventilator die Luft in der Box bewegt.